振动能量的矿用无线监测节点总体设计及性能测试.pdf

引言 随着井下监测网络的发展，节点供电成为无线 传感器网络应用的主要问题。对于无线传感器网络 的研究， 李雄飞等论述了系统的工作原理和构成， 介 绍了硬件平台的构成以及硬件平台核心部件设计的 一些关键问题， 并提出设计构想[1]； 张文栋等根据信 号采集时煤机设备是否需要停机以及故障诊断的时 效性， 总结了机械故障诊断的方法及其特点， 分析了 不同类型无线网络传输技术、不同种类微能源技术 的特点及其在煤矿中应用的可行性[2]； 王飞、 杜岩等 针对煤矿井下矿用无线传感器的电池使用寿命有 限、 更换困难的问题， 提出了一种基于能量自给的煤 矿无线监测网络的设计方案， 该网络组网络灵活、 安 装快捷、 维护方便， 对煤矿安全监测网络及系统的应 用起到重要作用[3-4]。 本文在已有研究的基础上，提出了振动能量的 矿用无线监测节点设计方案并进行了性能测试， 供 后续研究参考。 1振动能量的矿用无线监测节点的总体设计 目前，有线监测煤矿机械设备因为其复杂的电 线通道和防爆装置逐渐被淘汰， 为此， 无线监测节点 逐渐取代已有的有线监测节点，无线监测节点需布 置大量的传感器节点，而监测能量的供应是目前的 瓶颈。 为此提出振动能量的矿用无线监测节点方法， 实现对煤矿机械设备监测的同时，将机械振动产生 的能量用以监测节点的控制，减少了有线电路的铺 设同时实现了高进度的检测目的。 本文以采煤机为研究对象，充分结合井下工作 环境， 借助无线传感技术、 信号处理技术以及压电俘 能技术，提出振动能量的矿用无线监测节点的设计 方案， 为此方面的研究奠定基础。 振动能量的矿用无线监测节点的设计包括压电 俘能器性能分析与优化、 无线监测节点硬件设计、 无 线监测节点无线监测节点软件设计和无线监测节点 封装及性能测试四部分。 压电俘能器是无线监测节点能量的主要来源， 其工作原理是通过压电材料的正压电效应检测机 身的振动，同时将振动信号转化为电能的形式储 存，压电俘能器有改进全方向击打式自俘能装置、 全方向击打式自俘能装置、 新型组合悬臂梁式双稳 态压电振动能量收集装置和多场耦合振动能量收 集装置四种。在压电俘能器的选择上应该考虑其结 构优化，根据采煤机不同部位的振动频率的不同， 调节压电俘能单元尺寸和磁铁的距离以适应机身 的谐振频率， 高匹配的振动频率可以有效提高压电 俘能器俘能效率。 无线监测节点的硬件设计包含有无线传感器、 监测节点电路以及振动传感器三部分。无线传感器 的选择应该结合井下工作环境和通信性能节点选 择， 选用 CC2530 片上 8051 作为控制核心， 实现整个 节点信息的采集、 传送、 处理以及存储等功能； 监测 节点电路可以实现单元节点的储电、传感器线路的 稳流以及持续供电；振动传感器是采煤机工作状态 的直接监测点，其主要监测采煤机截割部和牵引部 以及齿轮的运动状态， 在振动传感器的选择上， 应该 充分从机械设备的功率、 灵敏度、 动态响应以及频率 响应考虑采煤机摇臂的转动和振动频率。 。 无线监测节点软件包括无线通信、显示以及技 能优化三部分。 无线传感可以实现数据的转化、 发送 以及存储等功能，适当延长节点储能单元的周期可 以实现节能的目的， 显示则是通过监测界面实现， 在 Microsoft Visual Studio 软件平台中实现。 振动能量供电的无线监测节点的封装需根据采 振动能量的矿用无线监测节点总体设计及性能测试 王九怀 1， 宋江涛2， 郭庆丰2， 段洋洋2， 靳毅军2， 王学敏2 （1.山西中阳华润联盛南山煤业有限公司， 山西吕梁033000； 2.潞安集团慈林山煤业有限公司慈林山 煤矿， 山西长治046000） 摘要 以无线监测网络供电难为研究背景， 提出了振动能量的矿用无线监测节点， 通过对压电俘能器、 无线 监测节点的硬件以及软件等结构的整体设计， 弥补了无线监测网络供电难的不足， 同时对检测节点进行了性 能测试， 测试结果显示， 延长了节点储能单元更换周期， 实现了对机械设备的振动监测， 且运行效果良好。 关键词 振动能量的矿用无线监测节点压电俘能器节点储能单元 中图分类号 TM619文献标识码 A文章编号 1003-773X （2020） 06-0105-02 收稿日期 2020-03-17 第一作者简介 王九怀 （1983） ， 男， 本科， 从事煤矿运营管理 工作。 DOI10.16525/14-1134/th.2020.06.045 总第 206 期 2020 年第6 期 机械管理开发 MECHANICALMANAGEMENTANDDEVELOPMENT Total 206 No.6， 2020 测试与诊断技术 第 35 卷 机械管理开发 jxglkfbjb 煤机的结构特点以及工作环境，因为压电俘能器是 整个系统的能量供应来源且工作空间最大，因此节 点部件的设计应该以压电俘能器为基础。监测节点 的性能测试需在测试平台上，测试监测节点的能量 俘获效率以及能量传送状况。 2无线监测节点封装及性能测试 振动能量的矿用无线监测节点性能的优劣需在 检测平台测试后才能整体评价节点的好坏，在对无 线监测节点的总体设计方案上，根据实际矿井工作 环境， 实现对节点俘能效率、 传输距离和整体性能的 测试。 节点的设计以压电俘能器为基础，并装有一定 的防爆装置。 节点的材料对性能有重要影响， 压电俘 能器作为重要设计依据，选择 6063-t5 铝合金为材 料， 该材料可以有效消除支架材料磁场的影响， 且强 度高。 压电俘能器组合梁材料为铍青铜， 压电材料为 压电薄膜 PVDF。 因为井下特殊的工作环境，无线监测节点在封 装时应考虑以下因素 1） 出于安全采煤的考虑， 无线节点的控制仪表 以及仪器都需要采用防爆型； 2） 因为采煤机在工作过程中机身以及摇臂产生 较大幅度的振动，将节点天线封装在防爆壳内可有 效地降低节点的损失， 提高节点的稳定性， 防爆壳对 信号有一定的屏蔽作用，因此在设计过程中应该考 虑防爆壳对节点信号的屏蔽作用。 振动能量供电的无线监测节点封装模型图如图 1 所示，此封装模型充分考虑了无线监测节点元件 尺寸， 传感器的安装方式以及安全性能， 最终完成振 动能量供电的矿用无线监测节点的模型封装工作。 以采煤机为例， 采集采煤机的振动数据， 将振动 数据导入到亿恒振动控制器，模拟采煤机真实的工 作环境， 采煤机采掘激励振动数据如图 2 所示， 从图 中可以看出， 振动能量收集俘能时间为 10 s， 充电电 池的电流呈现先减小后稳定的趋势，电池充电量为 35 nAh， 计算得到平均充电电流为 12.7 μA。 对于压电俘能器的测试，其节点功耗测试就显 得尤为重要。测试过程中， 将节点工作过程按休眠、 数据采集和无线传输三个阶段表示节点完整工作过 程，通过程序中设置断点判断程序分别进入三个工 作阶段， 同时通过示波器测试晶振是否间歇性工作， 确保程序的正确性。 不同阶段内节点的电流有差异， 因此电阻也有差别， 10 kΩ、 1 kΩ 和 100 Ω 分别为 休眠、数据采集以及无线传送三个阶段的电阻， 在 7.4 V 稳定电流的供电状况下， 对整个节点进行能耗 测试计算， 测试结果如表 1 所示。 根据表中数据，可得到节点在工作过程中的平 均电流的计算公式为 A t1 T A1 t2 T A2 t3 T A3. （1） 式中 t1 、 t 2 、 t 3分别为休眠状态、 数据采集状态以及无 线传输状态下的工作时间； T 为节点整个工作时间 周期， 60041.5605.5 s； A1 、 A 2 、 A 3分别为休眠状 态、 数据采集状态以及无线传输状态下的工作电流。 代入表 1 所列数据计算得 A34.93210-3mA。 俘能效率 浊 为 浊 棕1 棕2 100 T2 T1 100 .（2） 式中 棕1为压电俘能器单位时间内俘获的能量； 棕2为 无线监测节点单位时间内消耗的能量； T1为压电俘能 器充电时间， 为 0.267103 h； T 2为压电俘能器续航时 间， 为 7.117103h。代入数据计算得 浊26.66。 3结论 从矿井采煤机的实际工作状况出发，从硬件、 软 件、 压电俘能器以及无线监测节点出发设计了振动能 量供电的矿用无线监测节点总体方案， 并对无线监测 节点进行了封装以及性能测试， 得到电俘能器单位时 间内能量俘获效率为 26.66％， 延长 图 1振动能量供电的无线监测节点封装模型图 图 2采煤机采掘激励振动数据 工作状态工作时间 /s工作电流 /mA 休眠6000.002 数据采集41.2 无线传输1.510.1 表 1节点整个工作过程能耗测试 防爆壳 防爆壳 通信孔 振动能量 收集装置 无线监测 节点电路 振动传 感器 -12 -6 0 6 12 18 -18 6420810 时间 /s （下转第 109 页） 106 2020 年第 6 期 SINS 的采煤机的动态定姿技术对采煤机井下位置、 姿态定位的适用性。 5结轮 1） 在该定位方案下， 其运行时的定位精度约为 0.43 m， 其姿态定位精度约为 0.6， 完全能够满足 对采煤机自动化控制定位精度的要求。 2） 该定位方案在 x 轴方向上的误差精度约为 0.28 m， 在 y 轴方向上的误差精度约为 0.41 m， 在 z 轴方向上的误差约为 0.31 m， 定位精度好， 姿态追踪 稳定性高。 3） 仿真分析结果和试验验证结果吻合度高， 表 明了该基于 SINS 的采煤机的动态定姿技术对采煤 机井下位置、 姿态定位的适用性。 参考文献 [1]方新秋， 何杰， 张斌， 等.无人工作面采煤机自主定位系统[J].西 安科技大学学报， 2008， 28 （2） 349－353． [2]刘危， 解旭辉， 李圣怡.捷联惯性导航系统的姿态算法[J].北京 航空航天大学学报， 2005， 31 （1） 45－50． [3]吕振， 刘丹， 李春光.基于捷联惯性导航的井下人员精确定位系 统[J].煤炭学报， 2009， 34 （8） 1 149－1 152． [4]罗成名， 李威， 樊启高， 等.移动无线传感器网络下的采煤机定 位精度[J].中南大学学报 （自然科学版） ， 2014， 45 （2） 428－ 434． （编辑 贾娟） Application Research of Dynamic Position Technique of Shearer Based on SINS Wang Juan （Dayangquan Coal Co., Ltd., Yangquan Shanxi 045000） Abstract In view of the complicated underground environment and poor positioning accuracy of shearer, which can not meet the requirements of automatic control of fully mechanized mining, a dynamic positioning technology of shearer based on SINS combined inertial navigation is proposed. It uses the triaxial gyroscope and acceleration measuring equipment in the SINS to track and measure the angular velocity and acceleration of shearer in underground operation. The test results are solved by the of SINS position resolution, and the real-time position and attitude ination data of shearer are obtained. By verifying the dynamic pose setting technique,At the same time, the tracking error of the shearer is kept within 0.43 m, and the tracking continuity is good, the stability is high, and the anti-interference ability is strong. Key words SINS; shearer; positioning; tracking measurement 了节点的更换周期， 实现了外部监测高精度、 实时性 的目的。 参考文献 [1]李雄飞， 孙俊杰， 陈磊， 等.基于 ZigBee 技术的无线设备状态监 测系统[J].仪表技术与传感器， 2012 （12） 139-140. [2]张文栋， 薛晨阳.煤矿机械工作状态监测系统研究[J].振动.测 试与诊断， 2018， 38 （5） 883-889. [3]王飞.基于能量自给的煤矿无线监测网络的研究与设计[J].矿 业安全与环保， 2016， 43 （2） 30-32. [4]杜岩， 阚哲， 冯禹， 孙鹏飞， 等.基于无线通信的矿用本安型设备 监测子站研制[J].工矿自动化， 2017， 43 （1） 5-8. （编辑 赵婧） Overall Design and Perance Test of Mine Wireless Monitoring Node for Vibration Energy Wang Jiuhuai1, Song Jiangtao2, Guo Qingfeng2, Duan Yangyang2, Jin Yijun2, Wang Xuemin2 （1.Shanxi Zhongyang Huarun Liansheng Nanshan Coal Industry Co., Ltd., Lyuliang Shanxi 033000;2.Cilinshan Coal Mine of Cilinshan Coal Industry Co., Ltd., Changzhi Shanxi 046000） Abstract This article used wireless monitoring network power supply as the research background, to put forward the vibrational energy of mine wireless monitoring nodes, ere based on piezoelectric device, wireless monitoring node of the integral design of the hardware and software structure, make up for the deficiency of the wireless monitoring network power supply is difficult, and test the perance of detecting node, extended the node energy storage unit replacement cycle, implements the vibration monitoring of machinery and equipment, and the running effect is good. Key words mine wireless monitoring node of vibration energy; piezoelectric energy generator; node energy storage unit （上接第 106 页） 王娟 基于 SINS 的采煤机动态定姿技术的应用研究109